Видалення барвників за допомогою озонування.

Мета роботи: засвоєння методики роботи з озонатором та виявлення закономірностей впливу основних чинників процесу озонування на ефективність знебарвлення стічних вод, що містять барвники.

Теоретичні відомості

В останні роки зріс інтерес до озону як речовини, здатної видаляти з води органічні забруднення. Окисна дія озону на органічні речовини може проявлятися в різних формах: безпосереднє окиснення шляхом втрати атома кисню, а також шляхом впровадження молекулярного озону в молекулу речовини (озоналіз); каталітичну дію, збільшуючи окисну роль кисню, що міститься в озонованому повітрі.

В результаті окиснення також утворюються шкідливі речовини, які необхідно видаляти, що призводить до ускладнення технологічного процесу і збільшує вартість очищення води.

Озон – володіє сильними знезаражувальними властивостями і є сильним окисником. Озон руйнує органічні сполуки і мікроорганізми, при цьому розкладаючись на кисень.

О₃ = О₂ + О – 100,56 кДж;

О + О₃ = 2О₂ + 398,05 кДж;

Сумарна реакція:

2О₃ = 3О₂ + 297,49 кДж.

Хімічно-активний газ синього кольору з різким запахом, сильний окисник. При великих концентраціях розкладається з вибухом. Утворюється з кисню при електричному розряді (наприклад, під час грози). Основна маса озону знаходиться у верхньому шарі атмосфери — озоносфері, на висоті від 10 до 50 км із максимумом концентрації на висоті 20-25 км (так званий озоновий шар). Саме він захищає Землю від ультрафіолетового випромінювання космосу. У другій половині ХХ ст. зафіксована тенденція до зменшення цього шару і навіть утворення «озонових дірок» — областей зі зниженою концентрацією озону в озоновому шарі. Це явище пов’язують із антропогенним забрудненням атмосфери, зокрема фреонами.

Використовується у хімічному синтезі, для стерилізації води, дезинфекції й дезодорації повітря, вибілювання тканин, паперу, мінеральних масел тощо. Бактерицидний засіб. Є мутагеном. Гранично допустима концентрація у повітрі — 1 мг/м³.

Озон має дуже високу окисну здатність (Е₀=+2,07 В; в лужному середовищі Е₀=1,24 В) і за нормальної температури руйнує багато органічних сполук. Під час озонування одночасно відбувається окиснення домішок, знебарвлення, дезодорація, знезараження стічної води та насичення її киснем.

Молекула озону триатомна й має трикутну будову (рис.2.1).

Рисунок 2.1 – Будова молекули озону

У чистому і сухому повітрі розкладання його відбувається повільніше, ніж у вологому і забрудненому. Численними дослідженнями встановлено, що озон має високу бактерицидну дію. Крім того, відзначено більш сильну дію озону на спорові форми, а також і більш швидку знезаражуючу дію озону в порівнянні з хлором. Разом з тим обробка води озоном має свої особливості, які часто не дозволяють реалізувати його переваги як знезаражуючого реагенту. У зв’язку з цим у практиці іноді разом з обробкою води озоном перед подачею в мережу її піддають додатковому знезараженню хлором.

Розчинність озону у воді залежить від величини рН та кількості домішок у воді. За наявності кислот і солей розчинність озону у воді зростає, за наявності лугів – зменшується. Озон дисоціює на повітрі та у водному розчині, перетворюючись на оксиген. У водному розчині озон дисоціює швидше. Розкладання озону у воді різко зростає в разі підвищення рН та температури. Стійкість озону в нейтральному та кислому середовищах пов’язана з утворенням асоціатів НО₃⁺, гідратна оболонка яких уповільнює реакцію:

О₃ + Н₂О = О₂ + О + Н₂О

Розкладання озону у воді прискорюється за наявності активованого вугілля, металів змінної валентності (мангану, кобальту, феруму) деяких оксидів (Р₂О₅), пероксиду барію (ВаО₂). Такі матеріали, як фторо- та хлоровмісні пластмаси, скло, деякі матеріали, не вливають на стійкість озону.

В основу промислового одержання озону покладено реакцію розщеплення молекули кисню на атоми під дією тихого або бар’єрного розряду. Висока реакційна здатність озону зумовлена великою надлишковою енергією молекули:

О₃ = 3/2 О₂ + 100 кДж/моль.

Озон реагує з насиченими органічними сполуками з утворенням вільних радикалів. Лімітуючою стадією процесу є вплив озону на зв'язок С-Н

RH + O₃ = R^. + HO^. + O₂ ( або R + HO₃⁺).

Радикали R^., які утворилися в атмосфері оксигену, переважно перетворюються на пероксид радикали помірної активності. Тому ланцюгова реакція окиснення може виникнути лише за достатньо високої температури, коли швидкість реакції зростання ланцюга перевищує реакцію його обриву. За невисокої температури окиснення озоном відбувається неланцюгова реакція з утворенням гідроксигідропероксидів:

R^. + О₂ = RО₂ ;

RО₂^. + RH = RООH + R .

Альдегіди в свою чергу, окиснюються до надкислот, які розкладаються в розбавлених водних розчинах до органічних кислот та пероксиду водню. Паралельно може відбуватися реакція окиснення гідроксильного радикалу:

HO^. + O₃ = HO₂^. + O₂

з наступною комбінацією пероксид радикалів:

2HO₂^. = Н₂О₂ + O₂.

Проте, насправді, пероксид водню не накопичується і витрата озону в нейтральному та кислому середовищах відповідає реакції:

R-CH₂OH + 2O₃ = RCOOH + 2O₂ + H₂O.

Мабуть, у момент виділення пероксид водню реагує з озоном:

H₂O₂ + O₃ = H₂O + 2O₂.

Крім того, можливо, що озон витрачається на розкладання гідроксипероксидів та надкислот. Швидкість реакції за цих умов зростає, що, ймовірно, зумовлено розкладанням пероксид водню, гідропероксиду, надкислоти та озону. Одночасне збільшення кількості генерованих первинних радикалів ініціює процес окиснення. Отже, для прискорення процесу ініціювання процес окиснення озоном доцільно проводити в лужному середовищі. Для більшості органічних сполук проміжними та кінцевими продуктами окиснення є спирти, альдегіди (кетони) та кислоти.

На практиці озон отримують в спеціальних апаратах – озонаторах, в яких повітря з певною швидкістю пропускається між двома електродами, що з’єднані з джерелом живлення (5 – 20 кВ).

Для отримання тихого розряду електроди озонаторів розділяють діелектриком з максимально можливим гранично поверхневим опором і діелектричною сталою. Шар такого матеріалу слугує діелектричним бар’єром, що виключає отримання іскрового чи дугового розряду та обумовлює рівномірну структуру тихого розряду. Одночасно він слугує реактивним буферним опором, що обмежує струм в ланцюгу розряду. Як діелектрик використовуються звичайне або боросилікатне скло, емаль, пластмаси.

В зв’язку з тим, що 85 – 95% енергії, яку споживає озонатор витрачається на тепловиділення, електродну систему необхідно охолоджувати, бо озон при підвищеній температурі швидко розкладається. Основною величиною, що визначає синтез озону, слугує потужність розряду, віднесена до витрати газу, тобто, кількість енергії, що приходиться на об’єм пропущеного через озонатор газу.